注塑成型仿真
借助注塑成型模拟，在真正的模具制造出来之前，就可以对注塑成型部件的过程进行分析。这样，可以识别过程中可能出现的问题,，并采取适当的措施。例如，避免气泡，检测收口线并将其移至非关键区域，以及分析纤维方向。由于填充过程对生产成本影响很大，因此早期的模拟可以提高产品的经济性。
注塑成型模拟简介
注塑模拟涵盖了注塑成型部件制造过程的主要部分，从用熔化的聚合物填充模具开始，通过填充，最后到固化冷却阶段。本节的目的是概述注塑成型模拟的各个阶段和工作步骤。
一般来说，典型的注塑成型模拟包括三个步骤:
- 预处理阶段
- 执行数值模拟
- 对结果进行后处理，进行可视化、参数提取和优化
预处理
预处理阶段从CAD中导入三维构件几何开始，它定义了要填充的体积的基本部分。然后将该体积离散化，即划分为小而连续的区域。本质上，主要使用3种不同的方法:
- 中平面建模(2.5D方法)
- 曲面网格划分(Pseudo-3D)
- 真正的3D网格划分
使用2.5D方法，薄壁部件体积被转换为所谓的中表面模型，只有这个中表面与2D元素网格化。流动截面或壁厚通过分配给2D单元来直接描述。
使用表面网格划分(伪3D)，整个薄壁部件表面用2D单元进行网格划分。根据相对单元之间的距离自动计算壁厚。与中间平面建模相比，优点是生成网格所需的人工工作量显著降低，并且更好地描述了壁厚。另一方面，由于薄壁组件的两个表面侧面都必须进行网格划分，因此存在较高的计算工作量的缺点。
使用3D网格划分，组件与体积单元(主要是四面体或六面体)进行网格划分，从而在组件壁上生成所谓的边界层，以实现高水平的计算精度。然而，这种方法的计算工作量是最高的，因为必须对壁厚进行精细网格划分，才能以足够的精度描述聚合物熔体的流动。除了组件外，所有影响工艺和质量的相关元素都进行了建模和网络化。例如，工具插入件，冷却通道和流道。
图1-具有7个边界层的四面体网格
网格划分程序完成后，从库中选择聚合物、工具和冷却流体的材料描述。在分析的最后准备阶段，将指定注塑时间、保压时间、保压水平、冷却时间、熔体温度、模具温度、循环时间等工艺参数以及数值求解方案。
执行数值模拟
在数值模拟中，使用先前定义的程序求解控制方程(质量、动量和能量)，并将结果传递给后处理模块。
后处理
在后处理阶段，对数值模拟的结果进行处理，并以图形(矢量图、等高线图等)、视频或数据表的形式呈现，以阐明以下几点:
组件能否均匀填充?所要求的循环时间是否可以实现?需要多大的压力?横截面的变化是可以接受的，还是会阻碍甚至填充，导致不可接受的压力增加?
由于不均匀的收缩，在材料堆积较多的区域可能会出现下沉痕迹。一方面，它们在视觉上是不受欢迎的，另一方面，它们也会损害组件的功能。
应尽可能避免空气陷阱，因为它们会对组件的功能产生负面影响。必须注意确保良好的模具通风。
当几个流锋再次聚集在一起时，就会出现焊缝。它们通常是无益的，但也不能总是避免。然而，它们可以通过设计更改和调整工艺参数转移到非关键区域，从而不损害功能。
图2-焊接线(左)，空气疏水阀(右)
聚合物熔体的冷却过程会引起收缩，有时也会引起翘曲。收缩是无法避免的，并且在组件和工具设计时已经考虑了相应的尺寸变化。在后处理中，通常使用等高线图将其可视化。还可以使用填充模拟软件进行翘曲分析，并提供由于冷却过程而预期的部件变形的初步指示。
根据结果，进行优化迭代，直到达到所需的零件质量。
图3-收缩(左);弯曲(右)
作者简介:
Tobias Tönz在苏尔寿米帕和medmix Switzerland AG担任“高级工艺技术专家”17年。他的主要工作是注塑产品的设计和仿真。此外，他还专注于注塑模具和机器的设计，为优化制造工艺奠定基础。
